IV. Фотоны.
Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами.
При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону:
1. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества.
2. Часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода Aвых, зависящую от свойств материала катода.
Уравнение Эйнштейна объясняет закономерности внешнего фотоэффекта:
1. Линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта.
2. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность => ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.
3.
-
тангенс угла наклона прямой, выражающей
зависимость запирающего
потенциала Uз
от частоты ν.
Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода A:
где c – скорость света,
λmax= λкр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта.
У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж).
Значение постоянной Планка
h = 4,136·10–15 эВ·с.
Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы.
Например, у натрия Aвых = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.
Из законов фотоэффекта => свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов:
1. Энергия фотонов E = hν.
2. Фотон движется в вакууме со скоростью c.
3. Фотон не имеет массы покоя m0 = 0,
масса
фотона
4.
Фотон
обладает импульсом
(Из общего соотношения СТО, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы, E2 = m2c4 + p2c2)
Т.к. E = hν => Е ~ ν => чем > ν, тем > Е и Р фотона => больше выражены корпускулярные свойства света.
V. Корпускулярно-волновой дуализм:
Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах. Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой - корпускулярно-волновым дуализмом:
1. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация);
2. При взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект).
Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики.
Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.